Концепция беспилотного самолёта дальнего радиолокационного обнаружения
Источник: Aeronautica Militare
1. Основные этапы развития ДРЛО
Основная проблема, возникающая при конструировании ДРЛО, состоит в том, что (для получения больших дальностей обнаружения целей) РЛС обязательно должна иметь антенну значительной площади, а разместить её на борту, как правило, негде. Первый удачный ДРЛО был разработан более 60 лет назад и до сих пор не сходит со сцены. Он был создан на базе палубного транспортника и получил название Е2 Хокай.
Гриб
Основная идея всех ДРЛО того времени состояла в размещении вращающейся антенны в «грибе», расположенном над фюзеляжем.
РЛС определяет координаты цели, измеряя дальность цели и два угла: по горизонтали и по вертикали (азимут и угол места). Получить высокую точность измерения дальности довольно легко – достаточно точно определить время возврата отраженного от цели эхосигнала. Вклад ошибки измерения угла обычно намного превосходит вклад ошибки по дальности. Величина угловой ошибки определяется шириной луча РЛС и обычно составляет около 0,1 ширины луча. Для плоских антенн ширину можно определить по формуле α=λ/D (1), где:
α – ширина луча, выраженная в радианах;
λ – длина волны РЛС;
D – длина антенны вдоль соответствующей координаты (по горизонтали или по вертикали).
При выбранной длине волны для того, чтобы максимально сузить луч, размер антенны приходится делать максимальным, исходя из возможностей самолета. Но увеличение размеров антенны приводит к росту миделя «гриба» и ухудшает аэродинамику.
Недостатки блина
Разработчики Хокая решили отказаться от использования плоских антенн и перешли на телевизионную антенну типа «волновой канал». Такая антенна состоит из продольной штанги, поперёк которой установлен ряд трубочек-вибраторов. В результате антенна располагается только в горизонтальной плоскости. И шляпка «гриба» превращается скорее в горизонтальный «блин», который почти не портит аэродинамику. Направление излучения радиоволн остаётся горизонтальным и совпадает с направлением штанги. Диаметр «блина» 5 м.
Конечно, такая антенна имеет и серьёзные недостатки. При выбранной длине волны 70 см, ширина луча по азимуту оказывается ещё приемлемой – 7°. А по углу места – 21°, что не позволяет измерять высоту целей. Если при наведении истребителей-бомбардировщиков (ИБ) незнание высоты несущественно, благодаря возможности бортовой РЛС (БРЛС) самой измерить высоту цели, то для пуска ЗУР таких данных недостаточно. Сузить луч за счёт уменьшения длины волны не удаётся, так как «волновой канал» на коротких волнах работает хуже.
Достоинством диапазона 70 см является то, что в нём заметность самолетов-невидимок Стелс значительно увеличивается. Дальность обнаружения обычного ИБ оценивается в 250ꟷ300 км. Малая масса Хокая и его дешевизна привели к тому, что выпуск его не прекращен.
АВАКС
Требование увеличить дальность обнаружения и улучшить точность сопровождения привела к разработке нового ДРЛО АВАКС на базе пассажирского Боинг-707. В «грибе» разместили плоскую вертикальную антенну размером 7,5х1,5 м и уменьшили длину волны до 10 см. В результате ширина луча уменьшилась до 1°*5°. Точность и помехозащищенность РЛС резко возросли. Дальность обнаружения ИБ увеличилась до 350 км.
Аналог АВАКСа в СССР
В СССР первый ДРЛО разработали на базе Ту-126. Но характеристики его РЛС оказались посредственными. Затем стали разрабатывать аналог АВАКСа. Тяжелого пассажирского носителя не нашлось. И решили использовать транспортник Ил-76, который мало подходил для ДРЛО.
Излишняя ширина фюзеляжа, большая масса (190 т) и неэкономичные двигатели вызывали излишний расход топлива. Вдвое больше, чем у АВАКСа. Стабилизатор, поднятый на верхушку киля и находящийся позади «гриба», при повороте антенны в хвостовой сектор вызывал переотражения луча РЛС на землю. А помехи, вызванные обратными отражениями от земли, сильно мешали обнаружению целей в хвостовом секторе.
Никакие модернизации РЛС не могут устранить недостатки этого носителя. Даже замена двигателей на более экономичные не довела расход топлива до расхода АВАКСа. Дальности обнаружения и точности почти не уступали АВАКСу. Но и АВАКС в ближайшие годы будет снят с вооружения. Разница носителей сказывается и на работе операторов. Ил-76 не является пассажирским самолётом, уровень комфорта в нём невысок. И усталость экипажа к концу смены существенно выше, чем в Боинге-707.
Эра АФАР
Появление РЛС с активными фазированными антенными решетками (АФАР) значительно улучшило характеристики РЛС. Появились ДРЛО без «гриба». Например, ФАЛКОН на базе Боинг-767. Но и здесь использование готового носителя не привело к хорошим результатам. Наличие крыла в середине фюзеляжа привело к тому, что боковую АФАР пришлось разделить пополам. АФАР, установленная перед крылом, излучала вперёд-вбок. А АФАР позади крыла – назад-вбок. Но получить одну АФАР большой площади не удалось.
Наш А-100 остался с «грибом». Внутри «гриба» вместо вращающейся антенны установили АФАР. Нужно было заменить и носитель, но этого не произошло. Дальность обнаружения возросла (по сообщениям) до 600 км. Но недостатки носителя не исчезли. Парк А-50 находится в плачевном состоянии. Из оставшихся самолетов летают (да и то редко) 9 штук. Видимо, не хватает средств на регулярные полёты. Отсутствие регулярных полётов ДРЛО приводит к тому, что противник уверен, что его маловысотные КР типа Томагавк легко пройдут нашу границу незамеченными.
В отличие от США, в РФ аэростатных РЛС для охраны морских границ нет. А возвышенности на берегу, где можно было бы установить обзорную РЛС, тоже найдёшь не повсюду. На суше ситуация ещё хуже. Томагавки, используя складки местности, могут пройти мимо РЛС на расстоянии всего несколько километров. Считается, что над сушей крылатые ракеты (КР) летят на высоте 50 м. Однако современные цифровые карты местности стали настолько детальными, что могут отображать даже отдельные высокие предметы. Тогда высотный профиль полёта может быть проложен и на заметно меньших высотах. Над морем КР летят на высотах порядка 5 м. Следовательно, заявление МО о создании в РФ сплошного радиолокационного поля к КР не относятся.
Инновационная идея
Вывод напрашивается сам собой – необходимо разработать специализированный носитель, позволяющий разместить АФАР большой площади, концепцию которого автор предлагает.
По его мнению, масса такого ДРЛО будет значительно меньше массы АВАКСа. А дальность обнаружения ꟷ существенно больше. Цена часа эксплуатации будет умеренной. Что создает возможность проводить регулярные полеты (но, естественно, не по расписанию). Важно при этом, чтобы противник не знал, когда, где и по какой траектории пройдёт полёт.
2. Обоснование концепции перспективного БЛА ДРЛО
Предыдущая господствующая в мире концепция «самолёт ДРЛО – воздушный командный пункт» безнадёжно устарела. ДРЛО способен по скоростной линии сбрасывать всю информацию на наземный КП на дальность 400ꟷ500км. При необходимости можно использовать БЛА-ретранслятор, который увеличит дальность связи до 1300 км. Наличие на борту прежних ДРЛО многочисленного экипажа, вынуждает выделять для их охраны дежурные ИБ. Поэтому и стоимость часа их эксплуатации становится запредельной.
Далее рассматривается только БЛА ДРЛО. Откажемся также и от требования обеспечения одинаковой дальности обнаружения во всех направлениях. В большинстве случаев ДРЛО барражирует в безопасной зоне и просматривает, что происходит в зоне противника или в заданном районе собственной территории. Поэтому потребуем, что ДРЛО должен иметь хотя бы один сектор шириной 120°, где обеспечивается повышенная дальность обнаружения. А в остальных секторах обеспечивается только самооборона.
Единственным местом на самолете, где может быть размещена большая АФАР, является боковая поверхность фюзеляжа. Но в середине фюзеляжа обычно находится крыло. Даже при использовании схемы верхнеплан (как на Ил-76) крыло не позволит просматривать верхнюю полусферу. Выходом из ситуации станет подъём трассы ДРЛО на такую высоту, что для него почти все цели будут находиться снизу. И их обнаружению ничто не мешает.
Обнаружение высотных целей несколько облегчится, если применить V-образное крыло. Без потери качества крыла, угол подъёма может составить 4°. Тогда максимальный угол обнаружения целей, при котором луч РЛС ещё не отражается от крыла, составит 2ꟷ3°. Предположим, что ДРЛО находится на высоте 16 км. Тогда, если цель летит на предельной для ИБ высоте 20 км, то она будет находиться в зоне обнаружения ДРЛО, пока не подлетит на расстояние меньше 80 км. Если потребуется сопровождать эту цель и на более близких расстояниях, то ДРЛО может выполнить наклон по крену ещё на 5° и продолжить сопровождение до дальности 30 км.
Для снижения массы АФАР её необходимо выполнять по технологии излучающей обшивки, при которой в обшивке прорезаются излучающие щели и заклеиваются стеклопластиком. Приёмо-передающие модули (ППМ) АФАР прикрепляют к обшивке, и излишек тепла из ППМ сбрасывается прямо на обшивку. В результате масса АФАР заметно уменьшается.
3. Конструкция и задачи БЛА
Необходимо напомнить, что автор не является специалистом в самолётостроении. Приведенная на Рис. 1 схема (а также размеры) отражает скорее требования по размещению антенн РЛС. Это не чертёж реального БЛА.
Рисунок 1.
Предполагается, что взлётная масса БЛА составит 40 т. Размах крыла 35ꟷ40 м. Высота полёта 16ꟷ18 км. При скорости порядка 600 км/ч. Двигатель должен быть экономичен. По образцу конструкции Глобал Хок, следует взять двигатель пассажирского самолёта. Например, ПД-14. И доработать его для высотного полёта. Масса топлива 22 т. Время полёта не менее 20 ч. Длина разбега/пробега 1000 м.
Высокое расположение крыла не позволит использовать обычное шасси с тремя стойками. Придётся использовать велосипедное шасси, как на U-2. Конечно, чиркать крылом о ВПП в конце пробега, как на U-2, здесь не получится. А применить выдвигаемые вбок опорные колёсики трудно. Из-за того, что боковую поверхность заняла АФАР.
Предлагается последние 7 м крыла сделать складывающимися, как на корабельных ЛА. Но они должны не подниматься, а опускаться вниз на угол 40ꟷ45°. Так, чтобы не касаться ВПП. На законцовках крыла устанавливаются опорные колёсики. Которые при внезапных порывах ветра упираются в ВПП. Большая длина крыла обеспечит малую нагрузку на колёсико. В конце пробега БЛА опирается на одно из них.
Далее рассмотрим возможности размещения боковой АФАР. Наилучшие характеристики РЛС получаются, когда антенна имеет максимально возможную площадь, а форма антенны близка к кругу или квадрату. К сожалению, на реальном БЛА форма всегда будет значительно отличаться от оптимальной – высота намного меньше длины.
Выбор формы и размеров фюзеляжа могут выполнить только опытные авиаинженеры. Ну, а пока рассмотрим два теоретически возможных варианта формы АФАР, имеющих одинаковую площадь. Первый вариант (16х2,4 м) будем считать наиболее реалистичным. А второй (10,5х3,7 м) – требующим дополнительной проработки.
Рассмотрим первый вариант, при котором длина фюзеляжа составит 22 м. Особенностью конструкции является наличие удлиненного воздухозаборника, проходящего под крылом. Это позволило увеличить высоту боковой поверхности фюзеляжа. АФАР изображена штрихпунктиром.
АФАР работают в диапазоне длин волн 20ꟷ22 см, что позволит с помощью одной АФАР решать задачи РЛС, госопознавания и помехозащищённой связи с КП. Ещё одним преимуществом этого диапазона (по сравнению с диапазоном 10 см у А-50) является то, что ЭОП целей типа Стелс, начиная с длин волн 15ꟷ20 см, возрастает по мере увеличения длины волны.
В носовой части (под обтекателем) расположена эллиптическая АФАР размером 1,65×2 м. В связи с тем, что носовая антенна не обеспечивает нужных точностей измерения азимута, в передних кромках крыла дополнительно расположены две чисто приёмные АФАР. Расстояние от фюзеляжа до крыльевой антенны 1,2 м. Крыльевая АФАР является линейкой из 96 приёмных модулей общей длиной 10,6 м.
Рабочий диапазон углов носовой АФАР ±30°*±45°. Применение крыльевых АФАР позволит несколько увеличить дальность обнаружения (на 15%). Но ошибка измерения азимута уменьшится радикально (в 5ꟷ6 раз).
В хвостовой части расположена только антенна линии связи. Поэтому в секторе обзора задней полусферы имеется «мёртвая» зона шириной ±30°.
Для экономии массы самолёта комплекс средств связи в качестве основного канала использует те же самые АФАР. С их помощью обеспечивается высокоскоростная (до 300 Мбит/сек) и помехоустойчивая передача информации на наземный или корабельный пункт связи. Для приёма информации на пунктах связи устанавливаются приёмопередатчики диапазона 20ꟷ22 см. Особых требований к антеннам этих приёмопедатчиков нет. Помех такой мощности, которая могла бы подавить сигнал РЛС ДРЛО, противник создать не может. А передавать информацию с пункта связи на ДРЛО можно и на низких скоростях.
3.1. Конструкция РЛС
Боковая АФАР должна быть расположена на 25 см ниже нижней кромки крыла. Тогда она может сканировать нижнюю полусферу во всём доступном ей диапазоне азимутов ±60°. В верхней полусфере при углах места более 2ꟷ3° начинает мешать крыло. Поэтому АФАР делится на две половины. Передняя расположена под крылом и не может сканировать вверх. Задняя половина может сканировать вверх в диапазоне азимутов ±20°, где её луч не задевает ни крыло, ни стабилизатор. Сканирования по углу места этой половины составит от +30° до -50°.
Боковая АФАР содержит 2880 ППМ (144*20). Импульсная мощность ППМ 40Вт. Энергопотребление этой АФАР 80 кВт. Ширина луча 0,8°*5,2°, что даже несколько уже, чем у АВАКСа. Поэтому точность сопровождения целей окажется выше АВАКСа. Особенно большой выигрыш ожидается в дальности обнаружения и сопровождения целей. Во-первых, площадь антенны АВАКСа 10 кв. м. А площадь АФАР 38 кв. м. Во-вторых, антенна АВАКСа равномерно просматривает все 360°. А боковая АФАР только свои 120° и то неравномерно: в те направления, где есть подозрения о наличии цели посылается больше энергии, и неопределённость устраняется (то есть дальность обнаружения в этих направлениях возрастает).
Носовая антенна содержит 184 ППМ импульсной мощности 80 Вт и имеющих жидкостное охлаждение. Ширина луча 7,5*6°, углы сканирования ±60°по азимуту и ±45° по углу места.
Максимальное энергопотребление РЛС 180 кВт. Полная масса РЛС 2ꟷ2,5 т. Себестоимость серийного образца РЛС, видимо, составит 12ꟷ15 млн долларов.
4. Задачи и функционирование ДРЛО
При использовании на морском ТВД БЛА должен обеспечивать информационную поддержку КУГ на удалении до 2ꟷ2,5 тыс. км от аэродрома базирования. Даже на таких удалениях он способен дежурить не менее 12 ч. В районе дежурства БЛА должен находиться под защитой ЗРК КУГа, то есть удаляться на расстояние не более 150ꟷ200 км. При возникновении опасности атаки БЛА должен вернуться под защиту КУГа на дальность не более 50 км. В этой ситуации РЛС БЛА и РЛС КУГа должны распределить между собой зоны обнаружения атакующих воздушных целей. В нижней полусфере обнаруживает БЛА, а более высокие цели – РЛС ЗРК.
Учтём, что при высоте полёта 16 км, радиус обнаружения кораблей противника составит 520 км. То есть достигаемая дальность ЦУ обеспечит пуск ПКР Оникс на полную дальность полёта.
При сопровождении авианосцев и УДК, не имеющих палубных ДРЛО, БЛА может участвовать в действиях авиакрыла. Помимо традиционного обнаружения воздушных и морских целей, БЛА способен, используя исключительно высокий энергопотенциал боковой АФАР, обнаруживать радиоконтрастные цели противника, а также траектории снарядов крупнокалиберных пушек. Кроме того, БЛА может обнаруживать движущуюся автобронетехнику.
5. Тактико-технические характеристики РЛС
Характеристики боковой АФАР
Дальность обнаружения в направлении оси боковой антенны:
- истребитель типа F-16 с ЭОП 2 кв. м на высоте 10 км – 900 км;
- ПКР с ЭОП 0,1 кв. м – 360 км;
- управляемая ракета типа AMRAAM с эффективной отражающей поверхностью (ЭОП) 0,03 кв. м – 250 км;
- артиллерийский снаряд калибра 76 мм с ЭОП 0,001 кв. м – ЭОП 90 км;
- ракетный катер с ЭОП 50 кв. м – 400 км;
- эсминец с ЭОП 1000 кв. м – 500 км;
- танк, движущийся со скоростью 3 м/с и ЭОП 5 кв. м – 250 км.
На границах зоны сканирования по азимуту равных ±60° дальность обнаружения уменьшается на 20%.
Ошибка единичного замера углов приводится для дальности равной 80% от дальности обнаружения соответствующей цели:
- по азимуту – 0,1°,
- по углу места – 0,7°.
В процессе сопровождения цели угловая ошибка уменьшается в 2–3 раза (в зависимости от манёвров цели). При уменьшении дальности цели до 50% от дальности обнаружения ошибка единичного замера уменьшается вдвое.
Недостатком АФАР размером 16х2,4 м является именно невысокая точность измерения угла места. Например, ошибка измерения высоты ИБ F-16, сопровождаемого на дальности 600 км, составит 2 км.
Если бы удалось реализовать второй вариант боковой АФАР размером 10,5х3,7 м, то дальность обнаружения ИБ возросла бы до 1000 км, а ошибка измерения высоты на дальности 600 км уменьшилась бы до 1,3 км. Длина фюзеляжа сократилась бы до 17 м.
Характеристики носовой АФАР
Дальность обнаружения в направлении оси носовой антенны:
- истребитель с ЭОП 2 кв. м – 370 км;
- ПКР с ЭОП 0,1 кв. м – 160 км;
- управляемая ракета типа AMRAAM с ЭОП 0,03 кв. м – 110 км;
- ракетный катер с ЭОП 50 кв.м – 300 км;
- эсминец с ЭОП 1000 кв. м – 430 км;
- танк, движущийся со скоростью 3 м/с и ЭОП 5 кв. м – 250 км.
Ошибка единичного замера углов:
- азимута: 0,1°;
- угла места: 0,8°.
В процессе сопровождения цели ошибка измерения уменьшается в 2–3 раза.
Себестоимость боковой АФАР зависит от величины серии. Будем ориентироваться на цену в 5 млн долларов. Тогда полная себестоимость РЛС составит 14 млн долларов. Что значительно дешевле имеющихся на мировом рынке аналогов.
6. Тактика применения ДРЛО на сухопутном ТВД
Задачами общевойскового ДРЛО на суше является освещение воздушной обстановки на большую глубину над территорией сопредельных государств и фиксация перемещений крупных соединений войск в приграничной полосе глубиной до 300 км. В особых обстоятельствах могут быть поставлены и чисто локальные задачи. Например, сопровождение автомобиля опасного террориста. Для того, чтобы дежурство могло продолжаться непрерывно во время всего угрожаемого периода, важное значение имеет возможность максимального снижения стоимости часа дежурства.
БЛА должен барражировать вдоль границ на расстояниях, обеспечивающих его безопасность. При наличии у противника в приграничной зоне ЗРК большой дальности или аэродромов ИБ, это расстояние должно составлять не менее 150 км.
Для предотвращения возможности поражения в военное время необходимо обеспечивать защиту БЛА собственными средствами ПВО. Дешевле всего использовать пару ЗРК БД, которые способны прикрыть зону барражирования длиной 150–200 км. При отсутствии собственных ЗРК удаление от границы может быть увеличено до 200 км. Это при обеспечении большой дальности обнаружения атакующих ракет (так и истребителей противника) позволит осуществить манёвр отхода вглубь собственной территории с подъёмом дежурных ИБ с ближайшего аэродрома.
В мирное время использовать такую защиту не потребуется. И БЛА может курсировать непосредственно вдоль границы. При этом он может обнаруживать движущиеся транспортные средства самостоятельно, но без распознавания их типа. В связи с этим наилучшая эффективность достигается при сочетании распознавания заданных целей средствами оптической разведки, действующими на территории противника (или со спутника), и сопровождения обнаруженных целей с помощью БЛА.
Например, при обнаружении разведчиком автомобиля террористов, оператор ДРЛО сможет поставить его на автоматическое сопровождение и отслеживать передвижение этого автомобиля даже по дорогам в соседстве с другими автомобилями, а также вызвать ударный БЛА для их уничтожения.
7. Выводы
Самолёт Ил-76, являющийся носителем нового комплекса ДРЛО А-100, принципиально не изменился. И радикально уменьшить стоимость часа его эксплуатации не удастся. Следовательно, рассчитывать на его регулярное использование не приходится. Несмотря на улучшившиеся характеристики РЛС.
Предлагаемый БЛА ДРЛО обеспечивает дальность обнаружения в 1,5 раза большую, чем А-100. Весит вчетверо меньше. И расходует впятеро меньше топлива.
Большая дальность обнаружения позволяет контролировать воздушное пространство противника с безопасных расстояний (200 км) и не использовать ИБ охранения.
Увеличенная высота полёта позволяет обнаруживать наземные и надводные цели на расстояниях до 500 км.
Большая длительность полёта даёт возможность применять БЛА для сопровождения КУГов, поддержки десантных операций и действий АУГ на удалении до 2500 км от аэродрома.
Комплексирование в одной АФАР функций РЛС, госопознавания и связи позволило дополнительно снизить массу и стоимость аппаратуры.
Умеренная себестоимость приборов позволит обеспечить высокую конкурентоспособность БЛА.
К сожалению, подобные предложения в МО пока интереса не вызывают и всё ещё воспринимаются, как фантазийные.
В следующей статье рассмотрим корабельный вариант БЛА ДРЛО.
Информация